专利名称：1053纳米波段的金属介质膜反射式偏振分束光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率激光系统，特别是一种金属介质膜偏振分束光栅，是一种用于 1053纳米波长的基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的金属介质膜反射式偏振分束光栅。
背景技术：
激光以其特有的单色性好、相干长度长、指向性高、能量密度高等特性，使其成为了自然科学中的一朵奇葩。高功率激光在物理学、化学、材料科学、生命科学、环境科学、能源科学等国民经济、前沿科学研究方面有着广泛地应用；在空间通信、激光雷达、光电对抗等国家安全领域更有重大的应用潜力。激光装置的发展离不开光学元器件的传输，随着高功率激光系统的发展，脉宽越窄其脉冲频谱越丰富，由此对光学元器件的带宽和阈值均提出了更高要求。在高功率激光系统中，偏振分束器是重要的光学器件之一，可以将光分成两束偏振模式相互垂直的偏振光。传统的偏振分束器主要是晶体或多层介质膜。但是，双折射晶体的偏振分束器体积大，价格昂贵；薄膜偏振分束器工作带宽小，膜层数多，容易产生应力， 消光比不容易做的很高。随着微制造技术的发展，亚波长光栅得以表面浮雕型光栅作为偏振分束器，易于小型化和集成化。而基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带，设计的金属介质膜光栅有高激光损伤阈值、高衍射效率、宽带宽和宽角谱的性能。金属介质膜光栅宽角谱的特性可以使得激光系统设计更加灵活。金属介质膜偏振分束光栅通过成熟的镀膜技术和刻蚀技术，能够大量生产，具有重要的实用前景。金属介质膜光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法在先技术 1 :M. G. . Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. Α. 12，1077 (1995)
精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1053纳米波段给出宽光谱，宽角谱的金属介质膜反射式偏振分束器光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对1053纳米波段提供一种金属介质膜偏振分束光栅，该光栅可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的光分为不同方向进行传播，在入射角度 50. 7°，在1030 1070纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率和TM偏振的0级反射衍射效率均大于97%，0级和-1级消光比大于20dB。工作波长为1053纳米，入射角度为50. V， TE偏振的-1级反射衍射效率和TM偏振的0级反射衍射效率均大于98%，0级消光比和-1 级消光比大于40dB。因此能够实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高消光比的金属介质膜光栅，具有重要的实用意义。本发明的技术解决方案如下
一种用于1053纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅，其特点在于是在石英基底上， 依次镀制的银层、高反射膜层和矩形光栅构成，该矩形光栅的周期为680. 6纳米，占空比为0. 2，银层厚度为100纳米，刻蚀深度为374、76纳米。所述的高反膜层由3层膜组成，中间层为高折射率层，其材料为TiO2或Ta2O5，内层和外层为低折射率膜层，其材料为SiO2,所述的高反射膜层是规整膜系或是非规整膜系。所述的矩形光栅的材料为Η 2。本发明的依据如下
图1为本发明金属介质膜偏振分束光栅结构的剖面图。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。由图可见光栅上方为空气(折射率为n=l)，光从空气进入到矩形光栅，然后进入到高反膜层，到达银层之后被反射，再次经过膜层和光栅，最后出射到空气。TE和TM偏振进入光栅层对应不同的边界条件，产生不同的等效折射率。根据麦克斯韦方程，TE和TM偏振在膜层中同样有不同的边界条件和等效折射率。这样，在光进入金属介质膜偏振分束光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，TE偏振光集中在-1级反射，TM偏振光集中在0级反射， 产生了偏振分离的效果。在图1所示结构下，本发明采用严格耦合波理论在先技术1计算了基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的反射式金属介质膜偏振分束光栅的衍射效率和消光比，我们得到结论
通过对所述的金属介质膜偏振分束光栅的光栅深度、形状、周期、膜层层数和厚度优化设计，可以实现反射光在0级和-1级的偏振分离。本发明依据理解计算得到金属介质膜偏振分束光栅的数值优化结果，即刻蚀深度在374 476纳米之间，占空比在0. 174 0.36之间，光栅在45° 55°入射角下反射消光比高于20dB。入射角度50. V，在1030-1070纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率和 TM偏振的0级反射衍射效率均大于97%，0级和-1级消光比大于20dB。工作波长为1053 纳米，入射角度为50. 7°，TE偏振的-1级反射衍射效率和TM偏振的0级反射衍射效率均大于98%，0级消光比和-1级消光比大于40dB。
图1为本发明反射式金属介质膜偏振分束光栅结构剖面图。图2为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射波长和衍射效率关系图。图3为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射波长和消光比关系图。图4为反射式金属介质膜偏振分束光栅0级入射角度和衍射效率关系图。图5为反射式金属介质膜偏振分束光栅-1级入射角度和衍射效率关系图。图6为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射角度和消光比关系图。
具体实施例方式本发明提出的1053纳米波段的反射式金属介质膜偏振分束光栅模型的剖面结构如图1所示。其特征是由石英基底，银层6、3层介质膜组成的高反射膜层5和矩形光栅1 一体构成，高反射膜层5的中间层3为高折射率层，内层2外层4为低折射率层，θ -入射角 Λ -光栅周期f-占空比。实施例反射式金属介质膜偏振分束光栅，由在石英基底上，依次镀制银层6、由3层介质膜组成的高反射膜层5和矩形光栅1 一体构成，该矩形光栅1的材料为Η 2(折射率1. 96)，周期为680. 6纳米，占空比为0. 2，厚度为417纳米。高反射膜层5的中间层3材料为HfO2,厚度为95纳米，内层4和外层2膜材料为SiO2(折射率1. 45)，厚度分别为171纳米和52纳米。 银层6厚度为100纳米。如图2入射角为50. 7°时，对1053纳米入射光，光栅TE的-1级衍射效率和TM的0级衍射效率都很高，大于98%，TE的0级衍射效率和TM的-1级衍射效率都很低，小于1%。如图3所示，在1053纳米波长下两个反射级次的消光比都大于40dB， 而且在1030-1076纳米范围内消光比都大于20dB。如图4所示，在入射波长1053纳米下， 在40° -65°入射角下，TM的0级衍射效率很高(>98%)，TE的0级衍射效率很低。如图5 所示，在入射波长1053纳米下，在40° -65°入射角下，TE的-1级衍射效率很高(>98%)， TM的-1级衍射效率很低。如图6所示，在44° -57°入射角范围内，两个级次反射消光比都大于20dB，在入射角为50. 7°时得到最高的消光比。这表明器件可以在较大的入射角度范围内工作。 本发明1053纳米反射式金属介质膜偏振分束光栅，具有很高的消光比和衍射效率，较宽的带宽和角宽，可以用于高功率激光系统，起到很好的偏振分光效果。
权利要求
1.一种用于1053纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅，其特征在于是在石英基底上， 依次镀制的银层(6)、高反射膜层(5)和矩形光栅(1)构成，该矩形光栅(1)的周期为680. 6 纳米，占空比为0. 2，银层(6)厚度为100纳米，刻蚀深度为374、76纳米。
2.如权利要求1所述的金属介质膜偏振分束光栅，其特征在于所述的高反射膜层(5) 由3层膜组成，中间层(3)为高折射率层，其材料为TiO2或Ta2O5，内层(4)和外层(2)为低折射率膜层，其材料为SiO2，所述的高反射膜层是规整膜系，或是非规整膜系。
3.如权利要求1所述的金属介质膜偏振分束光栅，其特征在于所述的矩形光栅(1)的材料为HfO2。
全文摘要
一种1053纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅，特点在于其是在石英基底上依次镀制的银层、高反射膜层和矩形光栅构成，该矩形光栅的周期为680.6纳米，占空比为0.2，光栅刻蚀深度为374～476纳米，银层厚度为100纳米，高反射膜层的中间层为高折射率层，内层外层为低折射率层。本发明反射式金属介质膜偏振分束光栅，具有很高的消光比和衍射效率，较宽的带宽和角宽，可以用于高功率激光系统，起到很好的偏振分光效果。
文档编号G02B5/18GK102289014SQ20111027514
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者关贺元, 刘世杰, 晋云霞, 汪剑鹏, 范正修 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所